CN219225479U - 一种带电源低压监测保护的嵌入式系统 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种带电源低压监测保护的嵌入式系统，包括：核心电路板和主电路板，主电路板与核心电路板电连接，主电路板与外接电源连接，并为核心电路板供电，主电路板上还包括：电源状态检测模块和备用电源模块；电源状态检测模块，用于监测核心电路板的供电电压，供电电压由主电路板将外接电源进行电压转换而得到，当供电电压低于参考电压值时，电源状态检测模块向备用电源模块和核心电路板发送低压预警信号；核心电路板接收到低压预警信号时，开始执行安全关机程序；备用电源模块与核心电路板电连接，备用电源模块响应于低压预警信号开始为核心电路板供电，直至安全关机程序执行完毕。使得嵌入式系统在突发断电的情况下仍能正常关机。

Description

一种带电源低压监测保护的嵌入式系统

技术领域

本申请涉及嵌入式系统领域，尤其涉及一种带电源低压监测保护的嵌入式系统。

背景技术

目前嵌入式系统的关机方式从原理上主要分为两种，一种是硬件关机即硬件控制切断电源，另一种是软件关机方式。硬件关机是直接切断电源，简单直接。软件关机方式与个人电脑的关机方式相类似，用户点击计算机操作系统内的关机按钮或图标，则嵌入式系统自动执行关机程序。

然而，硬件关机的强制断电会使得嵌入式系统的中央处理器丢失或损坏正在处理的数据，软件关机又需要在操作系统上添加关机按钮或图标，并且用户还必须额外执行关机操作，操作较为繁琐。并且无论是硬件关机还是软件关机，都只能满足正常关机的需求，如果出现突发断电，无论哪种方式都会造成中央处理器丢失或损坏正在处理的数据。

因此，现有的嵌入式系统的关机方式存在无法应对突然断电而引发的数据丢失或损坏的技术问题。

发明内容

本申请提供一种带电源低压监测保护的嵌入式系统和装置，以解决现有的嵌入式系统的关机方式存在无法应对突然断电而引发的数据丢失或损坏的技术问题。

本申请提供一种带电源低压监测保护的嵌入式系统，包括：核心电路板和主电路板，主电路板与核心电路板电连接，主电路板与外接电源连接，并为核心电路板供电，主电路板上还包括：电源状态检测模块和备用电源模块；

电源状态检测模块，用于监测核心电路板的供电电压，供电电压由主电路板将外接电源进行电压转换而得到，当供电电压低于参考电压值时，电源状态检测模块向备用电源模块和核心电路板发送低压预警信号；

核心电路板接收到低压预警信号时，开始执行安全关机程序；

备用电源模块与核心电路板电连接，备用电源模块响应于低压预警信号开始为核心电路板供电，直至安全关机程序执行完毕。

在一种可能的设计中，电源状态检测模块包括：第一电压检测端和第二电压检测端；

第一电压检测端与备用电源模块的储能元件电连接，用于检测参考电压值；

第二电压检测端与核心电路板的外接电源供电端电连接，用于检测供电电压。

在一种可能的设计中，第一电压检测端上还连接有稳压模块，用于在第一电压检测端将储能元件的输出电压调整到参考电压值。

可选的，稳压模块包括：稳压二极管。

在一种可能的设计中，备用电源模块包括：充放电模块和储能元件，充放电模块用于切换储能元件的充电状态或放电状态。

在一种可能的设计中，当充放电模块的使能端没有接收到低压预警信号时，使能端处于使能状态，充放电模块的输出端输出充电电压，以将储能元件切换到充电状态，输出端与储能元件的正极电连接。

在一种可能的设计中，当充放电模块的使能端接收到低压预警信号时，使能端处于非使能状态，充放电模块的输出端停止输出充电电压，以将储能元件切换到放电状态。

可选的，输出端与储能元件的正极之间还连接有：限流模块。

在一种可能的设计中，储能元件的正极与核心电路板之间还连接有：第一单向输出模块，第一单向输出模块用于确保储能元件仅能为核心电路板供电，而不能通过核心电路板对储能元件进行充电。

在一种可能的设计中，主电路板与外接电源之间还连接有：电源转换模块，电源转换模块用于将外接电源所提供的交流电或直流电转换为具有目标电压的目标直流电；

电源转换模块的输出端连接有第二单向输出模块，第二单向输出模块用于防止备用电源模块输出的电压逆流到电源转换模块。

本申请提供了一种带电源低压监测保护的嵌入式系统，包括：核心电路板和主电路板，主电路板与核心电路板电连接，主电路板与外接电源连接，并为核心电路板供电，主电路板上还包括：电源状态检测模块和备用电源模块；电源状态检测模块，用于监测核心电路板的供电电压，供电电压由主电路板将外接电源进行电压转换而得到，当供电电压低于参考电压值时，电源状态检测模块向备用电源模块和核心电路板发送低压预警信号；核心电路板接收到低压预警信号时，开始执行安全关机程序；备用电源模块与核心电路板电连接，备用电源模块响应于低压预警信号开始为核心电路板供电，直至安全关机程序执行完毕。通过添加电源状态检测模块和备用电源模块，使得在外接电源出现故障或者不稳定时能够从备用电源模块提供关机用的备用电源，解决了现有的嵌入式系统的关机方式存在无法应对突然断电而引发的数据丢失或损坏的技术问题。达到了提高嵌入式系统的数据安全性和稳定性的技术效果。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。

图1为本申请提供的一种现有的带电源低压监测保护的嵌入式系统的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的一种电源状态检测模块的结构示意图；

图3为本申请实施例提供的一种备用电源模块的结构示意图；

图4为本申请实施例提供的一种电源转换模块的结构示意图。

通过上述附图，已示出本申请明确的实施例，后文中将有更详细的描述。这些附图和文字描述并不是为了通过任何方式限制本申请构思的范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本申请的概念。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，包括但不限于对多个实施例的组合，都属于本申请保护的范围。

本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

目前嵌入式系统的关机方式从原理上主要分为两种，一种是硬件关机即硬件控制切断电源，另一种是软件关机方式。硬件关机是直接切断电源，简单直接。软件关机方式与个人电脑的关机方式相类似，用户点击计算机操作系统内的关机按钮或图标，则嵌入式系统自动执行关机程序。

对于硬件关机方式，用户在进行关机时，需要按下硬件电源开关，在嵌入式系统关机后，再拔掉电源插头，当然，在紧急情况下或者无需考虑数据安全性的情况下，也可以直接拔掉电源插头来关机。其优点是简单直接，抗干扰能力强。缺点是未通知嵌入式系统的中央处理器CPU(central processing unit)即将断电，中央处理器CPU如果正在向存储设备写数据，写数据过程会直接中断。中央处理器CPU向存储设备写数据时，一般是先将存储块里的数据读出来，擦除存储块之后，将需要写入的数据和之前读出来的数据一起在重新写入到存储设备里面。非正常关机或者突发断电时，如果存储设备在擦除块过程中或者在回写数据过程中意外发生断电甚至电压不稳定，均会造成数据丢失或者损坏。

对于软件关机，其涉及三个操作：1、连接外部电源接口，2、硬件上的开关机按键，3、操作系统内的关机(重启)按钮。安全的关机操作是是点击操作系统内的关机(重启)按钮，给嵌入式系统一个明确的断电指令，嵌入式系统将进行数据保存、进程关闭等操作以保证数据存储的安全。

其中，在嵌入式系统中的实现方式是增加一个关机按钮，此按钮可以是外部硬件实现，也可在人机交互界面实现，目的都是给嵌入式系统一个关机信号，系统将进行进程关闭、数据保存等操作，完成之后提示操作人员，此时才能关闭总电源开关。

软件关机方式依然存在着问题：

问题1：在中小型嵌入式系统设计中，在硬件和外观上增加了关机按钮。

问题2：操作流程复杂，只能在制度上和操作规则上约束操作者按照此流程操作。无法根本上确保操作人员能遵照此流程执行。

问题3：无法处理外部突然断电的情况。

综上，现有的嵌入式系统的关机方式存在无法应对突然断电而引发的数据丢失或损坏的技术问题。

为解决上述问题，本申请的发明构思是：

通过增加电源低电压状态检测电路，当外部电源低电压时候，将发出电源状态异常信号。由于可检测低电压，因此涵盖了如下三种情形。

1、用户正常关机，执行了OP1或者OP2，从硬件上切断了电源。

2、外部电源突发断电。

3、外部电源正常，但是设备的电源转换模块异常，提供的电压低于所需要的电压。

电源状态异常信号分别发送到备用电源模块和中央处理器。在接收到电源状态异常信号时，备用电源模块就开始接替外部电源的供电功能，使得主板可以继续工作。中央处理器收到电源异常信号，就会自动进行进程关闭、数据保存等操作。

图1为本申请提供的一种现有的带电源低压监测保护的嵌入式系统的结构示意图。如图1所示，嵌入式系统100包括：核心电路板110和主电路板120，主电路板120与核心电路板110电连接，主电路板120与外接电源连接，并为核心电路板110供电。

主电路板120上还包括：电源状态检测模块121和备用电源模块122；电源状态检测模块121，用于监测核心电路板110的供电电压，当供电电压低于参考电压值时，电源状态检测模块121向备用电源模块122和核心电路板110发送低压预警信号；核心电路板110接收到低压预警信号时，开始执行安全关机程序；备用电源模块122与核心电路板110电连接，备用电源模块122响应于低压预警信号开始为核心电路板110供电，直至安全关机程序执行完毕。

本申请实施例提供的带电源低压监测保护的嵌入式系统，在硬件和外观上减去了关机按钮。简化了操作者的操作流程，从产品设计层面保证了电源低电压状态下系统执行正确的关机流程以提高存储设备的数据安全。并且在外部突然断电时，仍然能执行进程的关闭、数据的保存等操作，提高了系统的可靠性。

为了便于理解，下面进一步对电源状态检测模块的一种可能的结构设计作介绍。

图2为本申请实施例提供的一种电源状态检测模块的结构示意图。如图2所示，电源状态检测模块121包括：第一电压检测端121-1和第二电压检测端121-2；第一电压检测端121-1与备用电源模块122的储能元件电连接，用于检测参考电压值；第二电压检测端121-2与核心电路板110的外接电源供电端电连接，用于检测供电电压。

在外接电源正常供电时，第一电压检测端121-1所检测到的参考电压值应该低于第二电压检测端121-2所检测到的外接电源的供电电压。

在本实施例中，备用电源模块122的储能元件包括：纽扣电池、锂电池、超级电容等等。假设在本实施例中储能元件为超级电容，外接电源的供电电压为5V，超级电容的输出电压为4.7V。在外接电源正常供电时，第一电压检测端121-1的电压就会低于第二电压检测端121-2的电压。

在外接电源突然断电时，由于有储能元件，第一电压检测端121-1所检测到的参考电压值保持不变，但是第二电压检测端121-2所检测到的供电电压会在极短的时间内下降为0，此时，备用电源模块122的输出端121-3就会输出低压预警信号。例如，在正常情况下，输出端121-3稳定输出高电平或低电平，而在检测到外接电源突然断电时，输出端121-3就会从高电平跳转到低电平，或者从低电平跳转到高电平，从而形成低压预警信号。

在一种可能的设计中，如图2所示，第一电压检测端121-1上还连接有稳压模块121-4，用于在第一电压检测端将储能元件的输出电压调整到参考电压值。例如，稳压模块121-3为稳压二极管。可选的，为了能够调整参考电压值，使其满足实际应用时电源状态检测模块的采样要求，还能够在稳压二极管的输入端前连接一个降压电阻。

为了便于理解，下面进一步对备用电源模块的一种可能的结构设计作介绍。

图3为本申请实施例提供的一种备用电源模块的结构示意图。如图3所示，备用电源模块122包括：充放电模块122-1和储能元件122-2，充放电模块122-1用于切换储能元件122-2的充电状态或放电状态。可选的，储能元件122-2包括：纽扣电池、锂电池、超级电容等等。

当充放电模块122-1的使能端122-1-1没有接收到低压预警信号时，使能端122-1-1处于使能状态，充放电模块122-1的输出端122-1-2输出充电电压，以将储能元件122-2切换到充电状态，输出端122-1-2与储能元件122-2的正极电连接。

当充放电模块122-1的使能端122-1-1接收到低压预警信号时，使能端122-1-1处于非使能状态，充放电模块的输出端122-1-2停止输出充电电压，以将储能元件切换到放电状态。

可选的，输出端122-1-2与储能元件122-2的正极之间还连接有：限流模块，如限流电阻。因为，考虑到充电时间和充电时供电系统负载的限制要求，使用限流模块能够将充电最大电流设定到预设范围内，如300～500mA，充满电量时间例如为40～120s，以满足实际各种不同应用场景的嵌入式系统的需求。因为储能元件122-2仅需要供电到中央处理器CPU执行完成安全关机程序，安全保存数据，因此其能量存储量无需太大，这样可以节省主电路板的空间。

在一种可能的设计中，如图3所示，储能元件122-2的正极与核心电路板之间还连接有：第一单向输出模块122-3，第一单向输出模块122-3用于确保储能元件仅能为核心电路板供电，而不能通过核心电路板对储能元件进行充电。例如，第一单向输出模块122-3为肖特基二极管，利用其单向性保护充放电模块122-1，并在外接电源掉电时候，使得储能元件如超级电容从此肖特基二极管进行放电。

在一种可能的设计中，主电路板120与外接电源之间还连接有：电源转换模块，电源转换模块用于将外接电源所提供的交流电或直流电转换为具有目标电压的目标直流电。

图4为本申请实施例提供的一种电源转换模块的结构示意图。如图4所示，电源转换模块200的输入端201与外接电源连接端口连接，输出端202连接有第二单向输出模块210，第二单向输出模块210用于防止备用电源模块122输出的电压逆流到电源转换模块200，例如，第二单向输出模块210可以用肖特基二极管来实现。第二单向输出模块210连接主电路板120，以实现为主电路板以及核心电路板上各个元件的正常供电。

可以理解的是，电源转换模块200的实质就是直流转直流转化器或者交流转直流转换器。

需要说明的是，当在计算机上保存数据的时候，其实是先在内存中保存一定时间，再写入硬盘。这其实是一种缓存机制，当在内存中保存的数据需要被读取的时候，从内存中读取要比从硬盘中读取快得多。不过，这也会带来一些问题，如果数据还没有来得及保存到硬盘中，就发生了突然岩机(比如断电)的情况，数据就会丟失。因此对于外接电源掉电时中央处理器的安全关机程序，可以通过判断是否接收到低压预警信号，若是，则中断当前的处理进程，将没保存的重要数据写入硬盘，同时关闭其它所有的写操作，在上市操作完成后再向开关元件发送指令，断开与备用电源的连接。

本申请提供了一种带电源低压监测保护的嵌入式系统，包括：核心电路板和主电路板，主电路板与核心电路板电连接，主电路板与外接电源连接，并为核心电路板供电，主电路板上还包括：电源状态检测模块和备用电源模块；电源状态检测模块，用于监测核心电路板的供电电压，供电电压由主电路板将外接电源进行电压转换而得到，当供电电压低于参考电压值时，电源状态检测模块向备用电源模块和核心电路板发送低压预警信号；核心电路板接收到低压预警信号时，开始执行安全关机程序；备用电源模块与核心电路板电连接，备用电源模块响应于低压预警信号开始为核心电路板供电，直至安全关机程序执行完毕。通过添加电源状态检测模块和备用电源模块，使得在外接电源出现故障或者不稳定时能够从备用电源模块提供关机用的备用电源，解决了现有的嵌入式系统的关机方式存在无法应对突然断电而引发的数据丢失或损坏的技术问题。达到了提高嵌入式系统的数据安全性和稳定性的技术效果。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本申请的其它实施方案。本申请旨在涵盖本申请的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本申请的真正范围和精神由本申请的权利要求书指出。

应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利要求书来限制。

Claims (10)

1.一种带电源低压监测保护的嵌入式系统，包括：核心电路板和主电路板，所述主电路板与所述核心电路板电连接，所述主电路板与外接电源连接，并为所述核心电路板供电，其特征在于，所述主电路板上还包括：电源状态检测模块和备用电源模块；

所述电源状态检测模块，用于监测所述核心电路板的供电电压，当所述供电电压低于参考电压值时，所述电源状态检测模块向所述备用电源模块和所述核心电路板发送低压预警信号；

所述核心电路板接收到所述低压预警信号时，开始执行安全关机程序；

所述备用电源模块与所述核心电路板电连接，所述备用电源模块响应于所述低压预警信号开始为所述核心电路板供电，直至所述安全关机程序执行完毕。

2.根据权利要求1所述的嵌入式系统，其特征在于，所述电源状态检测模块包括：第一电压检测端和第二电压检测端；

所述第一电压检测端与所述备用电源模块的储能元件电连接，用于检测所述参考电压值；

所述第二电压检测端与所述核心电路板的外接电源供电端电连接，用于检测所述供电电压。

3.根据权利要求2所述的嵌入式系统，其特征在于，所述第一电压检测端上还连接有稳压模块，用于在所述第一电压检测端将所述储能元件的输出电压调整到所述参考电压值。

4.根据权利要求3所述的嵌入式系统，其特征在于，所述稳压模块包括：稳压二极管。

5.根据权利要求1所述的嵌入式系统，其特征在于，所述备用电源模块包括：充放电模块和储能元件，所述充放电模块用于切换所述储能元件的充电状态或放电状态。

6.根据权利要求5所述的嵌入式系统，其特征在于，当所述充放电模块的使能端没有接收到所述低压预警信号时，所述使能端处于使能状态，所述充放电模块的输出端输出充电电压，以将所述储能元件切换到所述充电状态，所述输出端与所述储能元件的正极电连接。

7.根据权利要求5所述的嵌入式系统，其特征在于，当所述充放电模块的使能端接收到所述低压预警信号时，所述使能端处于非使能状态，所述充放电模块的输出端停止输出充电电压，以将所述储能元件切换到所述放电状态。

8.根据权利要求6所述的嵌入式系统，其特征在于，所述输出端与所述储能元件的正极之间还连接有：限流模块。

9.根据权利要求5所述的嵌入式系统，其特征在于，所述储能元件的正极与所述核心电路板之间还连接有：第一单向输出模块，所述第一单向输出模块用于确保所述储能元件仅能为所述核心电路板供电，而不能通过所述核心电路板对所述储能元件进行充电。

10.根据权利要求1所述的嵌入式系统，其特征在于，所述主电路板与所述外接电源之间还连接有：电源转换模块，所述电源转换模块用于将所述外接电源所提供的交流电或直流电转换为具有目标电压的目标直流电；

所述电源转换模块的输出端连接有第二单向输出模块，所述第二单向输出模块用于防止所述备用电源模块输出的电压逆流到所述电源转换模块。

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